中美公路桥梁抗震设计规范对比分析

中美公路桥梁抗震设计规范对比分析

地震是一种极其有害的自然灾害。作为一个交通中心，桥梁的抗疲劳紧急准备也很重要。作为地震多发国家,进入21世纪后,针对众多桥梁震害的启示,我国于2005年编制了《公路桥梁抗震设计规范(征求意见稿)》,吸收了许多新的研究成果。美国的加州是世界著名的强震区,其桥梁抗震设计规范一直备受瞩目。加州的《Caltrans抗震设计准则(1.2版)》是在1999年版本基础上修订而成的,采用了较为先进的抗震设计理念。通过对我国规范和美国规范进行分析比较,有助于理解桥梁抗震设计规范条文的意义,找出我国和先进国家在抗震设防理念上的差距,并更加深入地了解桥梁抗震设计的思想。1桥梁抗震设计准则《公路桥梁抗震设计规范(征求意见稿)》要求重要桥梁在罕遇地震下保持弹性,一般桥梁在多遇地震下保持弹性而在罕遇地震下允许进入塑性状态。《Caltrans抗震设计准则(1.2版)》的抗震设防标准基于识别场地的最大可信地震MCE(MaximunCredibleEarthquake)作用。两种规范的抗震设防标准详见表1。2总体结构分析分析以往的桥梁震害资料,可以看出桥梁震害主要产生于下部结构,上部结构的破坏一般都是由于下部结构的破坏而产生过大位移造成的。因此,桥梁抗震验算的重点是桥墩和支座等下部构件。表2给出了两种规范桥梁抗震验算一般规定的比较。两种规范对墩柱抗震验算的异同见表3。3比较分析的抗弯工程下面将对一座4×30m连续梁桥分别采用两种规范进行纵桥向简单抗震设计,以实际体会两种规范的异同。3.1桥梁截面尺寸某一4×30m连续梁桥,见图1。上部结构为预应力混凝土连续箱梁,宽18m,高1.5m,桥面铺装层厚度13cm,三道防撞栏质量共计2.6t/m。采用双柱式桥墩,墩柱为1.5m×1.35m的实心钢筋混凝土截面,横向间距为4.15m,混凝土用C50。中墩每一立柱顶设置一固定盆式支座,其他立柱顶设置单向活动盆式支座。桥梁处于中硬场地,采用刚性扩大基础。墩柱截面尺寸及配筋如图1。主筋为38根直径28mm的Ⅱ级钢筋,净保护层厚度为40mm,箍筋为直径12mm的Ⅱ级钢筋,纵向间距在塑性铰区内为10cm,塑性铰区外为20cm。3.2根据《道路桥梁承受设计指南》意见草案进行抗洪设计3.2.1纵桥地震力计算抗震设防烈度为8度,桥址场地设计基本地震加速度峰值为A=0.20g,桥址为I类场地条件,场地特征周期Tg取值为0.30s。桥梁结构纵桥向可简化为单自由度振动体系,其自振周期为:T=2πmK−−√=0.89s>Tg=0.30sΤ=2πmΚ=0.89s>Τg=0.30s设计水平地震力为Ehtp=Sh1Gtp/g=Sm=2.25CiCsCdAm,则墩柱纵桥向设计地震力考虑滑动墩摩阻影响后为Ehtp=Sm-Ci∑μiNi计算结果:设计地震E1级水平地震力=2331.49kN,E2级水平地震力=7034.21kN3.2.2延性组件的设计下面对固定墩的单个墩柱进行设计验算。(1)恒载轴力m墩底弯矩为:M=Ehtp1q2×H=8160.22kN⋅mΜ=Ehtp1q2×Η=8160.22kΝ⋅m,恒载轴力为:N=5682.31kN,在轴力作用下,墩柱抗弯强度为:Mu=5746.34kN·m<M,故需增加纵向钢筋。将截面上下缘的纵筋改成上下各两排,每排11根直径28mm的Ⅱ级钢筋,则Mu=8377.24kN·m>M,满足要求。(2)墩柱抗剪强度剪力设计值:Vc0=ϕ0MxzcHn=1658.02kNVc0=ϕ0ΜzcxΗn=1658.02kΝ,墩柱的抗剪强度由混凝土抗剪强度Vc和横向钢筋抗剪强度Vs提供,塑性铰区内:Vc0<ϕ×(Vc+Vs)=3565.05kN,塑性铰区外:Vc0<ϕ×(Vc+Vs)=2582.18kN,均满足要求。(3)变形试验计算地震E2作用下,墩顶水平位移:Δl=cδ=90mm,单柱墩容许位移为:Δul=359.10mm,Δul>Δl,满足要求。3.3根据caltrans抗疲劳设计指南1.2版进行抗疲劳动设计为便于比较两种规范的区别,此处设计地震力依然采用5.2.1中确定的纵桥向水平地震力。下面对固定墩的单个墩柱进行设计验算。(1)恒载轴力n墩底弯矩为:M=0.1×Pdl2×L=13448.23Μ=0.1×Ρdl2×L=13448.23kN·m,恒载轴力为:N=5682.31kN,在轴力作用下,墩柱抗弯强度为:Mu=5746.34kN·m<M,故需增加纵向钢筋。将截面纵向钢筋改为上下缘各三排,每排12根直径28mm的Ⅱ级钢筋,则Mu=13644.35kN·m>M,满足要求。(2)塑性铰区检测结果最大剪力需求为:Vc0=1.2ML=2660.82Vc0=1.2ΜL=2660.82kN,塑性铰区内:Vc0<ϕ×(Vc+Vs)=4312.62kN,塑性铰区外:Vc0<ϕ×(Vc+Vs)=3196.01kN,均满足要求。(3)整体变形能力桥梁的整体位移应满足Δd<Δc,本例中,桥梁的整体变形能力取决于固定墩的变形能力,因此近似以固定墩的变形能力作为桥梁结构的整体变形能力。则Δd=72mm<Δc=355.62mm,满足要求。3.4墩柱抗弯能力从算例中可以看出,美国规范的弯矩需求为13448.23kN·m,对剪力的需求为2660.82kN,均远高于我国规范所对应的值,可见美国规范对墩柱的抗弯能力提出了更高的要求。又可见,使用美国规范设计固定墩纵筋增加了136%,而使用我国规范设计纵筋只增加了63%,可知美国规范对固定墩的延性要求更高。4中美延性构件设计的对比抗震设防不能追求绝对的安全,需从危险概率的大小来定义安全度,“小震不坏、中震可修、大震不倒”的多级设防思想已为包括中美在内的多国设计规范所采用。延性构件对整个桥梁结构体系所起的作用如同保险丝,桥梁的抗震安